История науки

Огромная атмосфера красного гиганта не может обеспечить перенос энергии от центра к периферии, давление будет нарастать и под воздействием этого давления внешняя сравнительно холодная оболочка красного гиганта будет постепенно отброшена и превратится в газовую туманность, рассеивающую­ ся в пространстве, а звезда станет белым карликом. В недрах белого карлика возникают ядерные реакции с образованием ядер углерода и более сложных элементов. Когда же начинают образовываться наиболее устойчивые ядра железа, выделение энергии прекращается и звезда гаснет.

Для звезд с массой, близкой к массе Солнца, после превращения в крас­ ного гиганта, теоретически возможен и другой путь эволюции — переход на несколько миллионов лет в стадию пульсаций — стадию цефеиды. Этот осо­ бый тип звезд получил свое название по звезде 6 Цефея. Джон Гудрайк (1764—1786) обнаружил, что звезда 8-Цефея меняет свою яркость с перио­ дом около 5 часов. Позднее были обнаружены цефеиды с периодом изме­ нения яркости от нескольких часов до нескольких суток. Допплеровские смещения спектра поочередно то в красную, то в синюю области показали, что когда звезда имеет возрастающую яркость, она как бы приближается к нам, и при убывающей яркости — удаляется. Оказалось, что цефеиды пери­ одически сжимаются и расширяются. Пульсации объясняются наличием зоны двукратной ионизации гелия, составляющего 1-2% от радиуса звезд. Эта зона работает как поршневой двигатель, освобождая энергию, накап­ ливающуюся при сжатии и приводящую к расширению.

Цефеиды представляют один из типов переменных звезд. Первой обна­ руженной арабскими астрономами переменной звездой, меняющей свой блеск, была Алголь. Ее назвали «Эль — Гуль» или «дьявол». Это название в Европе превратилось в Алголь. Алголь относится к затменно-переменным звездам. Причина колебаний яркости таких звезд состоит в том, что они яв­ ляются двойными, то есть состоят из двух звезд, вращающихся вокруг их об­ щего центра тяжести. Часто одна из звезд бывает одного цвета, другая —дру­ гого. Как красиво, должно быть, изменяется освещение на планетах, обра­ щающихся вокруг таких звезд, когда над горизонтом восходит то красное, то голубое «солнце», то оба «солнца» вместе.

Еще одним типом переменных звезд являются долгопериодические пе­ ременные звезды. Это преимущественно красные гиганты класса М. Пред­ полагается, что источником пульсаций в этих звездах является высвобож­ дающаяся в недрах звезд энергия.

Эволюционный путь звезд с массами, около двух солнечных, может окон­ читься взрывом. Это так называемые «новые» звезды. Термин «новая» ввел Тихо Браге, наблюдавший в 1572 г. вспышку звезды, которая представлялась ему ее

«рождением». Сегодня мы можем сказать, что это не «рождение», а скорее «смерть» звезды. Новые, как оказалось, являются двойными звездами, причем одна из звезд в паре принадлежит к горячему классу, а другая к холодному.

Наиболее мощные вспышки стали называть «сверхновыми». Механизм этих вспышек несколько иной, чем у новых, и происходят эти вспышки зна­ чительно реже — один раз в 150 — 300 лет (в пределах нашей Галактики), тогда как вспышки новых наблюдаются ежегодно. Оболочка красного гиган­

та может распадаться не постепенно, а путем взрыва. Так рождается сверх­ новая. В недрах красных гигантов может осуществляться синтез многих хи­ мических элементов, включая тяжелые. При взрыве сверхновой газовая сре­ да обогащается этими элементами. Так объясняется факт, что в молодых звездах содержится большее число химических элементов, чем в старых. Эти элементы проникли в газо-пылевую среду после вспышки новых и вошли в структуру молодых звезд уже при их зарождении.

Взрыв сверхновой может привести к образованию так называемой нейт­ ронной звезды — космического объекта огромной плоскости, состоящего только из нейтронов. Как мы уже отмечали, в ядре горячей звезды могут на конечном этапе ядерных реакций образовываться атомы железа. Ядра мас­ сивных звезд при этом продолжают сжиматься под действием более значи­ тельных сил гравитации, чем у легких звезд. При сжатии происходит мощ­ ный разогрев, приводящий к тому, что ядра железа начинают распадаться на протоны и нейтроны. Образовывающиеся протоны при взаимодействии с электронами тоже преобразуются в нейтроны. Образуется компактное ней­ тронное ядро, обрамленное железной оболочкой. Плотность такой звезды (1018 кг/Mi) такова, что дальнейшее ее сжатие оказывается невозможным. Размеры нейтронной звезды составляют всего десятки км в диаметре.

Если на начальном этапе после вспышки сверхновой давление внутри ядра окажется недостаточным для преодоления гравитационного сжатия, начинается гравитационный коллапс. При такой плотности вещества, ког­ да скорость убегания (вторая космическая) станет равной скорости света, коллапс приводит к образованию «черной дыры». Вариант эволюции звез­ ды, при котором образуется «черная дыра», наиболее вероятен для звезд, масса которых более чем вдвое превышает массу Солнца.

Массивные звезды — бело-голубые гиганты и сверхгиганты — эволюци­ онируют очень динамично. Их пребывание на главной последовательности может составлять от сотен тысяч до одного миллиона лет.

Исследования Вселенной в радиодиапазоне привели к открытию особых космических объектов — пульсаров. В 1968г. английскими радиоастронома­ ми были обнаружены радиосигналы в виде импульсов длительностью 0,3 с, повторяющихся с периодом 1,337с. Стабильность сигналов во времени была поразительна. Импульсы повторялись с точностью до 10'8с. Одной из вер­ сий, объясняющих открытое явление, стала посылка сигнала внеземными цивилизациями. В настоящее время эта версия отвергнута. Разработана те­ ория образования излучения этих источников, названных пульсарами. Ока­ залось, что пульсары (их открыто уже более двухсот) принадлежат нашей Галактике, излучают в основном не в радио-, а в рентгеновском диапазоне. Пульсирующий характер излучения пульсаров объясняется их быстрым вра­ щением и наличием сильного магнитного поля. Излучение носит нетепло­ вой характер и возникает при ускорении заряженных частиц вращающим­ ся магнитным полем. Частицы ускоряются до скоростей, близких к свето­ вым, попав в «магнитный конус», образованный при вращении магнитной осью, не совпадающей с осью вращения тела.

В 1963 г. был обнаружен космический объект, находящийся, если судить по

оценкам его скорости, за пределами нашей Галактики (скорость измеряется по смещению линий в спектре, а расстояния вычисляются по формуле Хаббла). Яркость объекта была для такого расстояния огромной и соответствовала 13-й звездной величине. Такие объекты назвали «квазарами» или квазизвездами. Спектр измерения квазаров не соответствует тепловому. Энергия излучения сосредоточена в основном в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. В настоящее время открыты более тысячи квазаров, однако убедительной ги­ потезы о происхождении их огромной энергии излучения не существует.

3.10. Солнечная система и Земля

По современным данным наше Солнце стало протозвездой около 5 млрд, лет назад. Центробежные силы, действовавшие при вращении протозвезды, оторвали от нее часть экваториальной области вещества. При отделении этой области образовался газо-пылевой диск, лежащий в экваториальной плоскости. Этот диск рос, в нем выделялись сжимающиеся фрагменты, став­ шие планетами.

В недрах сжимающейся протозвезды увеличивалась температура, и при достижении температурой значения 10 млн. К начались термоядерные ре­ акции, наше Солнце «загорелось». «Топливом» Солнца является водород, из которого в центральной части Солнца синтезируются ядра гелия с выделени­ ем огромной энергии, соответствующей дефекту масс. Современную модель строения Солнца построил Эддингтон. При построении этой модели Эддин­ гтон предполагал уравнивание гравитационных сил сдавливания силой, воз­ никающей из-за стремления газа к расширению при высокой температуре. С учетом массы Солнца (1,99 1027т) и его размеров (диаметр 1393000 км) Эддингтон получил значение температуры в центре Солнца 15 млн. град. Схема распределения температуры внутри Солнца показана на рис. 3.15. Центральную область, в которой происходят ядерные превращения, назы­ вают активной областью. Ее диаметр равен около 450 тыс. км. Активная зона окружена зоной лучистого переноса, имеющей протяженность 280 тыс. км. В этой зоне происходит переизлучение энергии из у-области в более длин­ новолновую часть спектра. В зоне конвекции осуществляется перенос энер­ гии путем движения солнечной плазмы со скоростями порядка 100 — 500 м/с. Эта энергия обеспечивает нагревание внешних слоев Солнца. Внешнюю оболочку, которую мы только и видим на Солнце, называют фотосферой. Иногда считают (без учета линий Фраунгофера), что Солнце излучает как черное тело с температурой фотосферы, равной 6000 К. Фотосфера окружена тонким слоем красного цвета, так называемой хромосферой. Между фото­ сферой и хромосферой расположен очень тонкий обращающий слой, в ко­ тором, как полагают, и возникают линии Фраунгофера. Обращающий слой и хромосфера наблюдаются во время полных солнечных затмений, когда фо­ тосфера закрыта тенью Луны. Над поверхностью хромосферы вздымаются пламеобразные языки, напоминающие фонтаны. Эти светящиеся выступы называют протуберанцами. Во время солнечных затмений невооруженным

стические сегодня проекты создания космических кораблей с солнечным парусом будут в будущем реализованы. Такие проекты уже обсуждаются.

Солнце вращается вокруг оси с периодом обращения 25 суток. Однако для земного наблюдателя вращение Солнца кажется происходящим с пери­ одом 27 суток, поскольку Земля вращается в том же направлении.

Планеты Солнечной системы, по существующей гипотезе, образовались из протопланетного облака, представлявшего собой отделившееся от диска про­ тозвезды кольцо. Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) образовались из этого кольца примерно за 100 млн. лет. Планеты-гиганты об­ разовывались дольше. Однако о механизме образования планет сегодня нет об­ щепринятых заключений. В частности, существует мнение об образовании Солнца и планет Солнечной системы не из единого массива вещества. Сегод­ ня приходится признать, что мы больше знаем о происхождении и эволюции звезд, чем о происхождении собственной планетной системы.

Планеты Солнечной системы расположены от Солнца в следующем по­ рядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Самая близкая к Солнцу планета Меркурий расположена почти в три раза ближе к Солнцу, чем Земля. Самая далекая — Плутон в сорок раз дальше, чем Земля. Схема расположения орбит планет Солнечной системы показана на рис. 3.16. Самой большой из планет является Юпитер, наимень­ шей — Плутон. Между орбитами Марса и Юпитера располагаются орбиты так называемых малых планет. Их зарегистрировано более 5500.

Основные сведения о планетах Солнечной системы приведены в табл. 3.2. Расстояния до планет от Солнца выражены в астрономических единицах, а.е. Астрономической единицей называют расстояние, равное радиусу орбиты Земли. Напомним соотношения между единицами измерения расстояний в астрономии: 1 парсек (пс) = 206265а.е. = 3,263 световых года = 3,086 • 10|6м.

По современным оценкам масса Земли составляет 5,98 • 1024 кг., расстояние от Земли до Солнца равно 149 700000км, средний радиус Земли равен 6371км.

Рис. 3.16. Схема расположения орбит планет Солнечной системы

тосфену

Интересно отметить, что радиус Земли достаточно точно был измерен древ­ негреческим математиком Эратосфеном Киренским (ок. 276 — 194 до н.э.)

Эратосфен учел, что в полдень 22 июня в день солнцестояния лучи Сол­ нца освещают дно самых глубоких колодцев в г. Сиене (древнее название

Таблица 3.2. Сведения о планетах Солнечной системы

Асуана), то есть эти лучи падают вертикально на поверхность Земли (рис. 3.17.). В Александрии, расстояние до которой от Сиены составляет 5000 гре­ ческих стадий (800км), угол между вертикальным столбом и лучами в то же время составляет 7°,2. Угол был измерен Эратосфеном достаточно точно с помощью скафиса — прибора, придуманного самим Эратосфеном. Этих из­ мерений оказалось достаточно для вычисления радиуса Земли. Действитель­ но, центральный угол, опирающийся на дугу между Александрией и Сие­

ной, также будет 7°,2.

Дуга АС, примерно равная расстоянию от Александрии до Сиены, состав­ ляет (7°,27360°) часть окружности, тогда длина всей окружности (длина эк­ ватора)

L = и АС • 360°/7°,2 = 40000км.

Можно рассчитать и радиус Земли

R = 40000/2я = 6369,4 км.

Это значение лишь незначительно отличается от современной оценки радиуса Земли.

Картина, отражающая внутреннее строение нашей планеты, далеко не за­ вершена. По последним данным основные ее черты сводятся к следующе­ му (рис. 3.18).

Твердая внешняя оболочка Земли, называемая земной корой, имеет тол­ щину до 70 км в горных районах, около 30 км под равнинами, 5—10 км под океанами. Земная кора входит по современным представлениям в литосфе­ ру, включающую верхние твердые слои мантии Земли. Мантией, в свою оче­ редь, называют оболочку Земли, расположенную между земной корой и яд­

ром Земли. Мантия занимает 83% Земли (без атмосферы) по объему и 67% по массе. Наиболее плотная часть Земли, расположенная в ее центре, на­ зывается ядром. Ядро делится на внешнее и внутреннее.

Факты, полученные геологией и геофизикой в последние годы, указыва­ ют, что литосфера состоит из небольшого числа отдельных плит. Эти плиты, подобно гигантским плотам, скользят по вязкому слою полурасплавленных горных пород, составляющему так называемую астеносферу. За миллионы лет своего «движения» тектонические плиты проделали огромный путь, хотя их скорость составляет всего несколько см в год. Измерить перемещения текто­ нических плит довольно сложно, но все же возможно современными астро­ номическими методами, основанными на наблюдениях за звездами с различ­ ных точек Земли. Границы плит являются зонами наиболее высокой текто­ нической, сейсмической и вулканической активности. Тектонические пли­ ты, составляющие земную кору, перемещаются за счет циркулирующих внут­ ри мантии конвекционных потоков. Нагреваясь у ядра, потоки идут вверх, а остывая — вниз. Мантия доходит до глубины 2900 — 3000 км и состоит из прочной каменной породы. Температура мантии достигает 4000 К, но, не­ смотря на это, она не расплавлена из-за огромного давления, достигающего 150 гигапаскалей (150Т09Па), которое препятствует плавлению. Предполага­ ется, что мантия находится в вязком состоянии, наподобие пластилина.

Мантия и ядро различаются по состоянию так резко, как твердое состоя­ ние отличается от газообразного. Внешнее ядро более динамично, чем внут­ реннее и состоит из жидкого металла. Температура на границе раздела сред мантии и ядра увеличивается при переходе к ядру скачком на тысячи граду­ сов. Циркулирующее во внешнем ядре жидкое железо рождает магнитное поле Земли, то самое, что на поверхности воздействует на магнитную стрел­ ку. Магнитное поле выходит за пределы земного шара и даже способно от­ клонять в космическом пространстве заряженные частицы солнечного вет­ ра. Внутреннее ядро представляет собой твердый железный шар. По после­ дним данным это единый гигантский кристалл железа. При температуре свы­ ше 4000 К и чрезвычайно высоком давлении кристалл существует как единое тело по форме, близкое к шару с диаметром 2500 км. Как и всякий кристалл, внутреннее ядро обладает анизотропией. На границе жидкого ядра на глуби­ не 2900 километров сейсмологи открыли слой толщиной от 200 до 400 км, ко­ торый назвали «Д-слоем». Этот слой не является непрерывным. В некоторых областях он полностью отсутствует. Предполагается, что материал Д-слоя зах­ ватывается конвекционными потоками при их движении вверх. Приближа­ ясь к литосфере при своем движении вверх, материал Д-слоя как бы прожи­ гает ее, всплывает на поверхность планеты, образуя острова с действую­ щими вулканами. Таковы, например, Гавайские острова. По новейшей ги­ потезе Д-слой образуется обломками земной коры, опустившимися с конвен­ ционными потоками до границ внешнего ядра с мантией.

Непосредственное проникновение в недра Земли возможно сегодня толь­ ко бурением, глубина которого не превышает 10-12 км. Бурение дает сведе­ ния лишь о самых верхних слоях земной коры. Что касается анатомии Зем­ ли в целом, то ее очертания пока весьма расплывчаты.

4. Биосфера и человек

4.1. Катастрофизм и эволюционизм в биологии

Биология (греч. bios — жизнь, logos — учение) занимается изучением различ­ ных видов живой природы, их взаимоотношением друг с другом и с внеш­ ней средой. Термин «биология» принадлежит Жану Батисту Пьеру Антуа­ ну Ламарку (1744 — 1829) — создателю первой в истории науки целостной картины исторического развития живой природы. Смелость идей Ламарка поразительна, поскольку в то время никто не сомневался в божественном происхождении всего живого и нетленности Божьей твари. Ламарк не от­ рицал божественного происхождения природы, но считал природу находя­ щейся в процессе эволюции. В основе механизма эволюции, по Ламарку, лежат две предпосылки: в организмах заложена врожденная способность са­ мосовершенствования; причиной изменения видов является воздействие на организм внешних сил природы, развитие одних органов в результате час­ того употребления и отмирание других из-за ненадобности. Изменения во внешней среде могут изменить форму поведения, органы живых существ со­ ответственно приобретают новые функции, которые передаются потомкам.

Свое учение Ламарк изложил в сочинениях «Гидрогеология» (1802г.) и «Философия зоологии» (1809 г.).

Долгое время взгляды Ламарка признавались хотя и глубокими, но слиш­ ком смелыми. Теперь же эволюционисты считают Ламарка основополож­ ником эволюционного подхода к развитию в биологии.

Вскоре после появления теории Ламарка оказалось, что приобретенные признаки не наследуются. Немецкий зоолог Август Вейсман (1834—1914), чтобы доказать это, на протяжении многих последовательных поколений мышей подрезал их хвосты. Нетрудно догадаться, что хвосты у потомства даже не укоротились. Последователем Ламарка мы, очевидно, можем в оп­ ределенном смысле считать известного академика Трофима Денисовича Лы­

сенко (1898—1976).

Идеям Ламарка о непрерывном эволюционном развитии живой природы противостояла теория катастроф, разработанная Жоржем Кювье (1769—1832).

Кювье много сделал в области семантики животных, сравнительной анато­ мии и палеонтологии. Ему принадлежит принцип «корреляции частей организ­